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设计模式学习笔记 - 开源实战三(下):借助Google Guava学习三大编程范式中的函数式编程

设计模式学习笔记 - 开源实战三(下):借助Google Guava学习三大编程范式中的函数式编程

概述

现在主流的编程范式主要有三种,面向过程、面向对象和函数式编程。在理论部分,已经介绍了前面两种编程范式。本章再讲讲剩下的编程范式,函数式编程

函数式编程并非是一个很新的东西,早在 50 年前就已经出现。近几年,函数式编程越来越被人关注,出现了很多新的函数式编程语言,比如 Clogure、Scala、Erlang 等。一些函数式编程语言也加入了很多特性、语法、类库类支持函数式编程,比如 Java、Python、Ruby、JavaScript 等。此外,Google Guava 也有对函数式编程的增强功能。

函数式编程因其编程的特性,仅在科学计算、数据处理、统计分析等领域,才能更好地发挥它的优势,所以个人觉得,它并不能完全替代更加通用的面向对象编程范式。但是,作为一种补充,它也有很大存在、发展和学习的意义。


到底什么是函数式编程?

函数式编程的英文是 Functional Programming。那到底什么是函数式编程呢?

函数式编程也没有一个严格的官方定义,所以,接下来就从特性上告诉你,什么是函数式编程。

严格来讲,函数式编程中的 “函数”,并不是指我们编程语言中的 “函数” 概念,而是指数学 “函数” 或者 “表达式”(比如,y=f(x)。不过,在编程实现时,对于数学 “函数” 或者 “表达式”,一般习惯性地将它们设计成函数。所以,如果不深究的话,函数式编程中的 “函数” 也可以理解为编程语言中的 “函数”。

每个编程范式都有自己独特的地方,这就是它们会被抽象出来作为一种范式的原因。面向对象编程的最大特点是:以类、对象作为组织代码的单元以及它的四大特性。面向过程编程语言的最大特点是:以函数作为组织代码的单元,数据与方法相分离。

函数式编程最独特的地方在于它的编程思想。函数式编程任务,程序可以用一系列数学函数或表达式的组合来表示。函数式编程是程序面向数学的更底层抽象,将计算过程描述为表达式。不过,这样说你肯定会有疑问,真的可以把任何程序都表示成一组数学表达式吗?

理论上是可以的。但是,并不是所有的程序都适合这么做。函数式编程有它自己适合的应用场景,比如开篇提到的科学计算、数据处理、数据处理、统计分析等。在这些领域,程序往往容易使用数学表达式来表示,比起非函数式编程,实现同样的功能,函数式编程可以 用很少的代码就能搞定。但是,对于强业务相关的大型业务系统开发来说,耗费精力地将它抽象成数学表达式,硬要用函数式编程来实现,显然是自讨苦吃。相反,在这种应用场景下,面向对象编程更加合适,写出来的代码更加可读、可维护。

刚刚讲的是函数式编程的编程思想,如果落实到编程实现,函数式编程跟面向过程编程一样,也是以函数作为组织代码的单元。不过,它跟面向过程编程的区别在于,它的函数是无状态的。

何为无状态?简单地讲,函数内部涉及的变量都是局部变量,不会像面向对象编程那样,共享类成员变量,也不会像面向过程编程那样,共享全局变量。函数的执行结果只与入参有关,跟其他任何外部变量无关。同样的入参,不管怎么执行,得到的结果是一样的。这实际上就是数学表达式或数学函数的基本要求。下面举个简单的例子来解释下:

// 有状态函数:执行结果依赖b的值是多少,即便入参相同,多次执行函数,函数的返回值有可能不同,因为b值有可能不同
int b
int increase(int a) {
	return a + b;
}

// 无状态函数:执行结果不依赖任何外部变量,只要入参相同,不管执行多少次,函数的返回值就相同
int increase(int a, int b) {
	return a + b;
}
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不同的编程范式之间并不是截然不同的,总有一些相同的编程规则。比如,不管是面向过程、面向对象还是函数式编程,它们都有变量、函数的概念,最顶层都要有 main 函数执行入口,来组装编程单元(类、函数等)。只不过,面向对象的编程单元是类或对象,面向过程的编程单元室函数,函数式编程的编程单元是无状态函数

Java 对函数式编程的支持

前面章节讲过,实现面向对象编程不一定非得使用面向对象编程语言。同理,实现函数式编程也不一定非得使用函数式编程语言。现在,很多面向对象编程语言,也提供了相应的语法、类库来支持函数式编程。

接下来,看下 Java 这种面向对象编程语言,对函数式编程的支持,加深一下你对函数式编程的理解。下面是一段非常典型地 Java 函数式编程的代码。

public class FPDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello")
                .map(s -> s.length())
                .filter(l -> l <= 3)
                .max((o1, o2) -> o1 - o2);
        System.out.println(result.get()); // 输出2
    }
}
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这段代码的作用是从一组字符串数组中,过滤出长度小于等于 3 的字符串,并且求得这其中的最大长度。

如果你不了解 Java 函数式编程的语法,看了上面的代码或许会有些懵,主要的原因是 Java 为函数式编程引入了三个新的语法概念:StreamLambda 表达式函数接口(Function Interface)。

  • Stream 类用来支持通过 “.” 级联多个函数操作的代码编写方式;
  • 引入 Lambda 表达式的作用是简化代码编写;
  • 函数接口的作用是可以把函数包裹成函数接口,来实现把函数当做参数一样来使用(Java 不像 C 一样支持函数指针,可以把函数当做参数来使用)。

首先,看下 Stream 类

假设要计算这样一个表达式:(3-1)*2 + 5。如果按照普通的函数调用方式写出来,就是下面这个样子:

add(multiply(subtract(3, 1), 2), 5);
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这样看起来,代码会比较难理解,换个更易懂的写法:

subtract(3, 1).multiply(2).add(5);
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在 Java 中, “.” 用来表示某个对象的方法。为了支持上面这种级联调用方式,我们让每个函数都返回一个通用的类 型:Stream 类对象。在 Stream 类上的操作有两种:中间操作和终止操作。中间操作仍返回 Stream 类对象,而终止操作返回的是确定的值结果。

再看下前面的例子。我们对代码做了注释解释,如下所示。其中,mapfilter 是中间操作,返回 Stream 类对象,可以继续级联其他操作;max 是终止操作,返回的不是 Stream 类对象,无法继续往下级联处理了。

public class FPDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello") // of返回Stream<String>对象
                .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>对象
                .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>对象
                .max((o1, o2) -> o1 - o2); // max 终止操作:返回Option<Integer>
        System.out.println(result.get()); // 输出2
    }
}
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其次,再看下 Lambda 表达式

Java 引入 Lambda 表达式的主要作用是简化代码编写。实际上,我们也可以不用 Lambda 表达式来书写书中的例子。我们拿其中的 map 函数来举例说明下。

// Stream中map的定义:
public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {
    <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);
    // 省略其他函数...
}

// Stream中map的使用方法:
Stream.of("fo", "far", "hello").map(new Function<String, Integer>() {
   @Override
    public Integer apply(String s) {
        return s.length();
    }
});

// 用Lambda表达式简化后的写法:
Stream.of("fo", "far", "hello").map(s -> s.length());
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Lambda 表达式语法不是学习的重点,这里只是稍微介绍下。

Lambda 表达式包含三部分:输入、函数体、输出。表示出来就是下面这个 样子:

(a, b) -> { 语句1; 语句2; ...; return 输出;} // a,b是输入参数
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实际上,Lambda 表达式的写法非常灵活。刚刚给出的是标准写法,还有很多简化写法。比如,如果输入参数只有一个,可以省略 (),直接写成 a ->{...};如果没有入参,可以直接将输入和箭头都省略只保留函数体;如果函数体只有一个语句,可以将 {} 省略掉; 如果函数没有返回值, return 语句就可以不用写了。

如果把之前的例子中的 Lambda 表达式,全部替换为函数接口的实现方式,就是下面这样子的。代码是不是多了很多?

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello")
        .map(s -> s.length())
        .filter(l -> l <= 3)
        .max((o1, o2) -> o1 - o2);

// 还原为函数接口的实现方式
Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "far", "hello")
	.map(new Function<String, Integer>() {
	    @Override
	    public Integer apply(String s) {
	        return s.length();
	    }
	})
	.filter(new Predicate<Integer>() {
	    @Override
	    public boolean test(Integer integer) {
	        return integer <= 3;
	    }
	})
	.max(new Comparator<Integer>() {
	    @Override
	    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
	        return o1 - o2;
	    }
	});
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最后,看下函数接口

实际上,上面一段代码中的 FunctionPredicateComparator 都是函数接口。我们知道,C 语言支持函数指针,它可以把函数直接当变量来使用。但是,Java 没有函数指针这样的语法。所以,它通过接口函数,将函数包裹在接口中,当做变量来使用。

实际上,函数接口就是接口。不过,它有自己特别的地方,那就是要求只包含一个未实现的方法。因为,只有这样,Lambda 表达式才能明确知道匹配的是哪个接口。如果有两个为实现的方式,并且接口入参、返回值都一样,那 Java 在翻译 Lambda 表达式时,就不知道表达式对应哪个方法了。

我们把 Java 提供的 FunctionPredicate 这两个函数接口的源码,摘抄过来贴到了下面,你可以看下。

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);

    default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
        Objects.requireNonNull(before);
        return (V v) -> apply(before.apply(v));
    }

    default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> after.apply(apply(t));
    }

    static <T> Function<T, T> identity() {
        return t -> t;
    }
}

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);

    default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) && other.test(t);
    }

    default Predicate<T> negate() {
        return (t) -> !test(t);
    }
    
    default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) || other.test(t);
    }

    static <T> Predicate<T> isEqual(Object targetRef) {
        return (null == targetRef)
                ? Objects::isNull
                : object -> targetRef.equals(object);
    }
}
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以上讲的就是 Java 对函数式编程的语法支持。

Guava 对函数式编程的增强

如果你是 Google Guava 的设计者,对于 Java 函数式编程,Google Guava 还能做些什么呢?

Google Guava 并没有提供太多函数式编程的支持,仅封装了几个遍历集合操作的接口,代码如下所示:

Iterables.transform(Iterable, Function);
Iterables.transform(Iterator, Function);
Collections.transform(Collection, Function);
List.transform(List, Function);
Maps.transform(Map, Function);
Multimaps.transform(Multimap, Function);
...

Iterables.filter(Iterable, Predicate);
Iterators.filter(Iterable, Predicate);
Collections2.filter(Collection, Predicate);
...
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从 Google 的 Wiki 中,我们发现,Google 对于函数式编程的使用还是很谨慎的,认为过度使用函数式编程,会导致代码的可读性变差,强调不滥用。所以,在函数式编程方面,Google Guava 并没有提供太多的支持。

之所以对遍历集合操作做了优化,主要是因为函数式编程一个重要的应用场景就是遍历集合。如果不适用函数式编程,我们只能 for 循环,一个一个的处理集合中的属性。使用函数式编程,可以大大简化遍历集合操作的代码编写,一行代码就能搞定,而且在可读性方面也没有太大的损失。

总结

本章,讲了一下三大编程范式中的最后一个,函数式编程。尽管越来越多的编程语言开始支持函数式编程,但我个人觉得,它只能是其他编程语范式的补充,用在一些特殊的领域发挥它的特殊作用,没法完全替代面向对象、面向过程编程范式。

关于什么是函数式编程,实际上不是很好理解。函数式编程中的 “函数”,并不是只我们编程语言中的 “函数” 概念,而是数学中的 “函数” 或者 “表达式” 概念。函数式编程认为,程序可以用一系列数学函数或者表达式的组合来表示。

具体到编程实现,函数式编程以无状态函数作为组织代码的单元。函数的执行结果只与入参有关,跟其他任何外部变量无关。同样的入参,不管怎么执行,得到的结果都是一样的。

具体到 Java 语言,它提供了三个语法机制来支持函数式编程。它们分别是 Stream 类、Lambda 表达式和函数接口。Google Guava 对函数式编程的一个重要应用场景,遍历集合,做了优化,但并没有太多的支持,并且强调,不要为了节省代码行数,滥用函数式编程,导致代码可读性变差。

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